一款液冷機箱的散熱結構設計與分析應用

摘要：針對高溫、高濕、高鹽霧的海洋惡劣環境及發熱量較大等工作情況，詳細介紹了一款強迫液冷散熱方式機箱。首先介紹了液冷機箱總體設計，然后分別闡述了模塊整體結構設計、子卡冷板結構設計、子卡均溫板結構設計，再對機箱箱體散熱設計進行了研究，最后對液冷機箱進行了熱仿真分析，對強迫液冷散熱方式機箱的設計具有良好的借鑒意義。

關鍵詞：液冷機箱；散熱結構設計；蛇形流道；真空釬焊；熱仿真分析

中圖分類號：TK32? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0036-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.010

0? ? 引言

隨著電子元器件日益微型化、小型化、多樣化，其功率密度也越來越高，在工作時所產生的熱量大幅增加，導致元器件內部溫度不斷升高，進而引發一系列因熱失效導致的問題，這就對系統散熱設計提出了更高的要求。

業內普遍采用的散熱解決方案為風冷散熱，需要設計風扇組件結構進行強迫散熱，但也帶來了風扇高噪聲、高頻振動損壞、影響風扇壽命及可靠性等一系列問題；此外，風冷散熱需要結合面板開孔結構來實現內外部空氣循環，引發了防水、防塵的問題。為解決上述問題，需要進行額外的結構設計，因此風冷散熱普遍朝著大體積、多熱管和超重量的方向發展，不適用于高溫、高濕、高鹽霧的海洋惡劣環境。

本文介紹的液冷機箱是一款適用于艦載設備的6U機箱，采用強迫液冷散熱方式，通過水泵（液冷源）使得冷卻液在系統內部流道中循環流動，從而將系統內部電子元器件所產生的熱量帶走，降低機箱內部的溫度[1]，從而確保電子元器件能夠正常工作。強迫液冷散熱方式使用的液體介質（比如60%乙二醇水溶液、PAO超級冷卻液等）比空氣及常規散熱鋁材有更好的換熱系數，這就使得液冷系統的散熱能力是傳統強迫風冷式散熱的100倍以上，因此，很多電子設備開始使用液冷散熱方式冷卻。

1? ? 液冷機箱總體設計

強迫液冷機箱采用封閉式設計，整體外觀如圖1所示。機箱由箱體、安裝在機箱內部的功能模塊、印制板（PCB板）、安裝于后面板和航插面板上的連接器等組成，內部結構示意圖如圖2所示。

1.1? ? 機箱箱體結構設計

標準6U機箱，外形尺寸為540 mm（長）×288.1 mm（寬）×270 mm（深，不包含導向銷長度），該機箱箱體主要由機箱主體、前面板組件（包括支耳、左前面板、右前面板、調試區面板）、背板加強筋、后面板組件（包括上后面板、上后面板蓋板、下后面板、航插面板、導向銷等）和流體連接器插座等組成，如圖3所示。

機箱主體的左側板、頂板和底板均為液冷冷板內部液冷流道設計，通過真空釬焊為機箱主體框架，再與前面板組件、后面板組件通過螺接方式裝配在一起。其中，前面板、后面板與機箱主體端面接觸處有密封圈凹槽設計，采用導電密封圈進行密封；機箱主體內設計有多組插槽，各模塊通過楔形條鎖緊裝置固定于插槽中[2]；機箱航插面板和上后面板依據用戶使用連接器型號和數量設計具體的開孔尺寸。

1.2? ? 模塊冷板結構設計

1.2.1? ? 模塊整體結構設計

模塊內部有各種芯片及電子元器件等，均屬于發熱元器件，無法實現自然冷卻。所以在實際模塊設計中將發熱元器件的熱量傳導至模塊冷板對應的凸臺上，在各芯片與凸臺之間會通過0.5 mm或者1 mm厚度導熱硅膠進行30%左右壓縮量的壓縮貼合，將熱量傳導至模塊的冷板上，再通過冷板兩側熱傳導面將熱量傳導至機箱。整個模塊示意圖如圖4所示。

1.2.2? ? 子卡冷板結構設計

模塊子卡殼體材料選取的是鋁合金5A06，內部凸臺具體位置以及高度依據相對應模塊上芯片具體尺寸而定，子卡殼體內部凸臺結構如圖5所示，另會依據印制板（PCB板）具體布線以及子卡殼體結構強度要求來確定螺釘固定位置。

1.2.3? ? 子卡均溫板結構設計

有些模塊中含有更大功率發熱元器件時，例如電源芯片、光模塊等，模塊子卡殼體一般采用均溫板材質（即均熱板），同樣均溫板材質子卡殼體結構內部也加工有多個凸臺，電子元器件的熱量通過導熱硅膠傳輸到凸臺上再到子卡殼體上，再通過機箱接觸面將熱量散發出去。使用均溫板材質加工的子卡殼體內部結構如圖6所示。

均溫板的工作原理具體來說就是其真空腔底部的液體在吸收電子元器件（如芯片等）熱量后，蒸發擴散至真空腔內，將熱量傳導至散熱鰭片上，之后冷凝為液體回到底部。這種過程即液體在真空腔內快速循環，類似于冰箱、空調的蒸發、冷凝過程，實現了相當高的散熱效率。

2? ? 機箱箱體散熱設計

機箱液冷流道采用“蛇形流道”設計，整個機箱的散熱路徑如下：工作介質從左側板側壁（進液口處）流入頂板后再次流入左側板的下部進入底板，最終流回到左側板側壁（出液口處），如圖7所示。左側板端面處安裝有一進一出的流體連接器插座，后對接連接器插頭再通過壓力管路連接到液冷源上。

考慮機箱的輕量化設計，保證機箱整體輕度，采用5A06鋁合金板來加工機箱主體。該材料的機械性能指標包括導熱系數λ鋁=201 W/（m·K）；比熱容C鋁=871 J/（kg·K）；抗拉強度σb=315 MPa[3]。

其中機箱主體部分左側板、頂板和底板通過NC加工流道槽路，之后通過真空電子束釬焊焊接3 mm鋁合金板于流道凹槽上端面，整體形成密閉流道，焊接完成后通過無損探傷檢測焊縫情況。

3? ? 液冷機箱熱仿真技術與分析

熱仿真技術就是借助熱仿真軟件對液冷機箱中各模塊在工作環境下涉及的功耗情況等傳熱現象進行仿真計算，并對機箱的散熱特性進行預測，通過結果分析從而對機箱整體散熱結構進行優化。

3.1? ? 邊界條件設置

印制板（PCB板）材料為M7，材料導熱系數設置為20 W/（m·K），機箱材料為5A06鋁合金，導熱系數為201 W/（m·K），模塊子卡殼體材料和機箱一樣，都是5A06鋁合金材料。

該液冷機箱內部各模塊安裝位置溫度如圖8所示，機箱總功耗為745 W，其中機箱內部各模塊功耗如表1所示。

為建立數學仿真模型，減小數值計算的運算量，對物理模型進行如下假設：

（1）機箱持續運行處于正常工作狀態下，整體的流動與換熱為穩態；

（2）由于主要仿真機箱內部溫度分布，因此將螺紋孔等結構忽略不計；

（3）液冷是采用管道液冷的方式，液體介質為去離子水，進口供液流量為1 L/min，連接器直徑為5 mm，計算得到進液口流速為0.7 m/s，進液溫度為25 ℃。

通過ANSYS軟件中ICEPAK對機箱溫度進行熱仿真分析，整體溫升邊界條件設定為環境溫度55 ℃，默認氣體為空氣，材質為鋁合金，給所有模塊熱源按其功率大小施加功率載荷，給外表面加對流邊界，輻射采用D0模型，給液體進口施加固定速度，采用零方程湍流模型，不計重力等體積力影響。

3.2? ? 熱仿真分析

從仿真結果來看，在環境溫度為55 ℃、進液口溫度為25 ℃的情況下，模塊最高溫度為47.1 ℃，對應入口溫升22.1 ℃，機箱整體溫度分布如圖9和圖10所示，滿足客戶需求（特別說明：仿真基于模型簡化和一些物理條件的近似，仿真結果和實際一般都存在一定差距，熱仿真結果分析在未經試驗驗證前僅供參考）。

4? ? 結束語

此處設計的液冷機箱應用于艦載情況下滿足了以下功能：

（1）機箱為密閉機箱，可以在高溫、高濕、高鹽霧的海洋惡劣環境下正常工作；

（2）該機箱工作時，電子元器件的熱量通過導熱膠墊—凸臺—模塊子卡殼體傳遞至機箱接觸面上，并通過液冷循環流道將熱量散發出去，使該機箱可以在高溫情況下正常工作；

（3）通過上述熱仿真分析結果可以得出，該液冷機箱液冷流道設計能夠滿足環境溫升要求。

該液冷機箱能通過“蛇形”液冷流道形式解決大功耗散熱問題，從而提高了設備在高溫、高濕、高鹽霧環境下應用的可靠性，因此對同類型機箱的設計具有一定的參考意義。

[參考文獻]

[1] 夏林勝，宮小北，華巍.某吊艙液冷機箱結構及工藝設計[J].機械工程師，2019（4）：139-141.

[2] 朱恒義，關學剛.某機載密封風冷機箱散熱設計[J].艦船電子對抗，2019，42（2）：115-117.

[3] 陳甲朋，覃紅夷.一種液冷機箱散熱效果的計算[J].中國科技信息，2019（5）：84-87.

收稿日期：2023-05-04

作者簡介：倪同清（1986—），男，江蘇人，助理工程師，研究方向：工作信號一體化技術質量。